基于 Spring Security 和 JWT 的权限系统设计

写在前面

关于 Spring Security Web 系统的认证和权限模块也算是一个系统的基础设施了，几乎任何的互联网服务都会涉及到这方面的要求。在 Java EE 领域，成熟的安全框架解决方案一般有 Apache Shiro、Spring Security 等两种技术选型。Apache Shiro 简单易用也算是一大优势，但其功能还是远不如 Spring Security 强大。Spring Security 可以为 Spring 应用提供声明式的安全访问控制，起通过提供一系列可以在 Spring 应用上下文中可配置的 Bean，并利用 Spring IoC 和 AOP 等功能特性来为应用系统提供声明式的安全访问控制功能，减少了诸多重复工作。
关于 JWT JSON Web Token (JWT)，是在网络应用间传递信息的一种基于 JSON 的开放标准（(RFC 7519)，用于作为 JSON 对象在不同系统之间进行安全地信息传输。主要使用场景一般是用来在身份提供者和服务提供者间传递被认证的用户身份信息。关于 JWT 的科普，可以看看阮一峰老师的《 JSON Web Token 入门教程》。

本文则结合 Spring Security 和 JWT 两大利器来打造一个简易的权限系统。

本文实验环境如下：

Spring Boot 版本：2.0.6.RELEASE
IDE：IntelliJ IDEA 2018.2.4

另外本文实验代码置于文尾，需要自取。

设计用户和角色

本文实验为了简化考虑，准备做如下设计：

设计一个最简角色表role，包括角色 ID和角色名称

设计一个最简用户表user，包括用户 ID，用户名，密码

再设计一个用户和角色一对多的关联表user_roles 一个用户可以拥有多个角色

创建 Spring Security 和 JWT 加持的 Web 工程

pom.xml 中引入 Spring Security 和 JWT 所必需的依赖

<dependency>
	<groupId>org.springframework.boot</groupId>
	<artifactId>spring-boot-starter-security</artifactId>
</dependency>

<dependency>
	<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
	<artifactId>jjwt</artifactId>
	<version>0.9.0</version>
</dependency>

项目配置文件中加入数据库和 JPA 等需要的配置

server.port=9991

spring.datasource.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
spring.datasource.url=jdbc:mysql://121.196.XXX.XXX:3306/spring_security_jwt?useUnicode=true&characterEncoding=utf-8
spring.datasource.username=root
spring.datasource.password=XXXXXX

logging.level.org.springframework.security=info

spring.jpa.hibernate.ddl-auto=update
spring.jpa.show-sql=true
spring.jackson.serialization.indent_output=true

创建用户、角色实体

用户实体 User：

/**
 * @ www.codesheep.cn
 * 20190312
 */
@Entity
public class User implements UserDetails {

    @Id
    @GeneratedValue
    private Long id;

    private String username;

    private String password;

    @ManyToMany(cascade = {CascadeType.REFRESH},fetch = FetchType.EAGER)
    private List<Role> roles;

    ...

    // 下面为实现 UserDetails 而需要的重写方法！
    @Override
    public Collection<? extends GrantedAuthority> getAuthorities() {
        List<GrantedAuthority> authorities = new ArrayList<>();
        for (Role role : roles) {
            authorities.add( new SimpleGrantedAuthority( role.getName() ) );
        }
        return authorities;
    }
    
    ...
}

此处所创建的 User 类继承了 Spring Security 的 UserDetails 接口，从而成为了一个符合 Security 安全的用户，即通过继承 UserDetails，即可实现 Security 中相关的安全功能。

角色实体 Role：

/**
 * @ www.codesheep.cn
 * 20190312
 */
@Entity
public class Role {

    @Id
    @GeneratedValue
    private Long id;

    private String name;
  
    ... // 省略 getter 和 setter
}

创建 JWT 工具类

主要用于对 JWT Token 进行各项操作，比如生成 Token、验证 Token、刷新 Token 等

/**
 * @ www.codesheep.cn
 * 20190312
 */
@Component
public class JwtTokenUtil implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = -5625635588908941275L;

    private static final String CLAIM_KEY_USERNAME = "sub";
    private static final String CLAIM_KEY_CREATED = "created";

    public String generateToken(UserDetails userDetails) {
        ...
    }

    String generateToken(Map<String, Object> claims) {
        ...
    }

    public String refreshToken(String token) {
        ...
    }

    public Boolean validateToken(String token, UserDetails userDetails) {
        ...
    }

    ... // 省略部分工具函数
}

创建 Token 过滤器，用于每次外部对接口请求时的 Token 处理

/**
 * @ www.codesheep.cn
 * 20190312
 */
@Component
public class JwtTokenFilter extends OncePerRequestFilter {

    @Autowired
    private UserDetailsService userDetailsService;

    @Autowired
    private JwtTokenUtil jwtTokenUtil;

    @Override
    protected void doFilterInternal ( HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, FilterChain chain) throws ServletException, IOException {

        String authHeader = request.getHeader( Const.HEADER_STRING );
        if (authHeader != null && authHeader.startsWith( Const.TOKEN_PREFIX )) {
            final String authToken = authHeader.substring( Const.TOKEN_PREFIX.length() );
            String username = jwtTokenUtil.getUsernameFromToken(authToken);
            if (username != null && SecurityContextHolder.getContext().getAuthentication() == null) {
                UserDetails userDetails = this.userDetailsService.loadUserByUsername(username);
                	if (jwtTokenUtil.validateToken(authToken, userDetails)) {
                        UsernamePasswordAuthenticationToken authentication = new UsernamePasswordAuthenticationToken(
                                userDetails, null, userDetails.getAuthorities());
                        authentication.setDetails(new WebAuthenticationDetailsSource().buildDetails(
                                request));
                        SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(authentication);
                    }
            }
        }
        chain.doFilter(request, response);
    }
}

Service 业务编写

主要包括用户登录和注册两个主要的业务

public interface AuthService {
    User register( User userToAdd );
    String login( String username, String password );
}

/**
 * @ www.codesheep.cn
 * 20190312
 */
@Service
public class AuthServiceImpl implements AuthService {

    @Autowired
    private AuthenticationManager authenticationManager;

    @Autowired
    private UserDetailsService userDetailsService;

    @Autowired
    private JwtTokenUtil jwtTokenUtil;

    @Autowired
    private UserRepository userRepository;

    // 登录
    @Override
    public String login( String username, String password ) {
        UsernamePasswordAuthenticationToken upToken = new UsernamePasswordAuthenticationToken( username, password );
        final Authentication authentication = authenticationManager.authenticate(upToken);
        SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(authentication);
        final UserDetails userDetails = userDetailsService.loadUserByUsername( username );
        final String token = jwtTokenUtil.generateToken(userDetails);
        return token;
    }

    // 注册
    @Override
    public User register( User userToAdd ) {
        final String username = userToAdd.getUsername();
        if( userRepository.findByUsername(username)!=null ) {
            return null;
        }
        BCryptPasswordEncoder encoder = new BCryptPasswordEncoder();
        final String rawPassword = userToAdd.getPassword();
        userToAdd.setPassword( encoder.encode(rawPassword) );
        return userRepository.save(userToAdd);
    }
}

Spring Security 配置类编写（非常重要）

这是一个高度综合的配置类，主要是通过重写 WebSecurityConfigurerAdapter 的部分 configure配置，来实现用户自定义的部分。

/**
 * @ www.codesheep.cn
 * 20190312
 */
@Configuration
@EnableWebSecurity
@EnableGlobalMethodSecurity(prePostEnabled=true)
public class WebSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {

    @Autowired
    private UserService userService;

    @Bean
    public JwtTokenFilter authenticationTokenFilterBean() throws Exception {
        return new JwtTokenFilter();
    }

    @Bean
    public AuthenticationManager authenticationManagerBean() throws Exception {
        return super.authenticationManagerBean();
    }

    @Override
    protected void configure( AuthenticationManagerBuilder auth ) throws Exception {
        auth.userDetailsService( userService ).passwordEncoder( new BCryptPasswordEncoder() );
    }

    @Override
    protected void configure( HttpSecurity httpSecurity ) throws Exception {
        httpSecurity.csrf().disable()
                .sessionManagement().sessionCreationPolicy(SessionCreationPolicy.STATELESS).and()
                .authorizeRequests()
                .antMatchers(HttpMethod.OPTIONS, "/**").permitAll() // OPTIONS 请求全部放行
                .antMatchers(HttpMethod.POST, "/authentication/**").permitAll()  //登录和注册的接口放行，其他接口全部接受验证
                .antMatchers(HttpMethod.POST).authenticated()
                .antMatchers(HttpMethod.PUT).authenticated()
                .antMatchers(HttpMethod.DELETE).authenticated()
                .antMatchers(HttpMethod.GET).authenticated();

        // 使用前文自定义的 Token 过滤器
        httpSecurity
                .addFilterBefore(authenticationTokenFilterBean(), UsernamePasswordAuthenticationFilter.class);

        httpSecurity.headers().cacheControl();
    }
}

编写测试 Controller

登录和注册的 Controller：

/**
 * @ www.codesheep.cn
 * 20190312
 */
@RestController
public class JwtAuthController {
    @Autowired
    private AuthService authService;

    // 登录
    @RequestMapping(value = "/authentication/login", method = RequestMethod.POST)
    public String createToken( String username,String password ) throws AuthenticationException {
        return authService.login( username, password ); // 登录成功会返回 JWT Token 给用户
    }

    // 注册
    @RequestMapping(value = "/authentication/register", method = RequestMethod.POST)
    public User register( @RequestBody User addedUser ) throws AuthenticationException {
        return authService.register(addedUser);
    }
}

再编写一个测试权限的 Controller：

/**
 * @ www.codesheep.cn
 * 20190312
 */
@RestController
public class TestController {

    // 测试普通权限
    @PreAuthorize("hasAuthority('ROLE_NORMAL')")
    @RequestMapping( value="/normal/test", method = RequestMethod.GET )
    public String test1() {
        return "ROLE_NORMAL /normal/test 接口调用成功！";
    }

    // 测试管理员权限
    @PreAuthorize("hasAuthority('ROLE_ADMIN')")
    @RequestMapping( value = "/admin/test", method = RequestMethod.GET )
    public String test2() {
        return "ROLE_ADMIN /admin/test 接口调用成功！";
    }
}

这里给出两个测试接口用于测试权限相关问题，其中接口 /normal/test需要用户具备普通角色（ROLE_NORMAL）即可访问，而接口/admin/test则需要用户具备管理员角色（ROLE_ADMIN）才可以访问。

接下来启动工程，实验测试看看效果

实验验证

在文章开头我们即在用户表 user中插入了一条用户名为 codesheep的记录，并在用户-角色表 user_roles中给用户 codesheep分配了普通角色（ROLE_NORMAL）和管理员角色（ROLE_ADMIN）
接下来进行用户登录，并获得后台向用户颁发的 JWT Token

接下来访问权限测试接口

不带 Token 直接访问需要普通角色（ROLE_NORMAL）的接口 /normal/test会直接提示访问不通：

而带 Token 访问需要普通角色（ROLE_NORMAL）的接口 /normal/test才会调用成功：

同理由于目前用户具备管理员角色，因此访问需要管理员角色（ROLE_ADMIN）的接口 /admin/test也能成功：

接下里我们从用户-角色表里将用户codesheep的管理员权限删除掉，再访问接口 /admin/test，会发现由于没有权限，访问被拒绝了：

经过一系列的实验过程，也达到了我们的预期！

写在最后

本文涉及的东西还是蛮多的，最后我们也将本文的实验源码放在 Github 上，需要的可以自取：源码下载地址

由于能力有限，若有错误或者不当之处，还请大家批评指正，一起学习交流！

My Personal Blog：CodeSheep 程序羊